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有源滤波技术及其应用

时间:2010-04-23


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2000 年 2 月 10 日

      

      

Feb. 10, 2000

有源滤波技术及其应用
胡 铭, 陈 珩
( 东南大学电气工程系, 南京 210096)

摘要: 随着大功率开关器件的广泛应用, 电能质量问题日益严重。文中就谐波治理中的无源及有源 滤波技术进行对比, 简要介绍了有源滤波器的分类、 工作原理以及近年来国内外有源滤波技术研究 的最新成果, 展望了有源滤波技术在我国的发展前景。 关键词: 有源滤波器; 无源滤波器; 电能质量; 谐波 中图分类号: TM 76

0 引言
近年来, 配电网中整流器、 变频调速装置、 电弧 炉、 电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加。 这 些负荷的非线性、 冲击性和不平衡的用电特性, 对供 电质量造成严重污染。 另一方面, 现代工业、 商业及 居民用户的用电设备对电能质量更加敏感, 对供电 质量提出了更高的要求[ 1 ]。 仅依靠过去无源滤波技 术治理谐波已不能满足要求, 研究和开发适应这一 要求的新技术已成为近年来电力系统研究领域中的 新 热 点。 对 此, 国 外 提 出 了“用 户 电 力 技 术 ” (Cu stom Pow er) 的新概念[ 2 ] , 即利用电力电子控制 器来提高配电网供电可靠性及电能质量。 由于谐波 是影响电能质量的最主要因素, 因此有源滤波—— 利 用 电 力 电 子 控 制 器 来 抑 制 谐 波 也 是 Cu stom Pow er 技术实施的主要手段之一, 利用有源滤波这 一新技术对配电网进行综合电能质量补偿必将会带 来显著的经济效益。 本文首先对无源滤波技术和有源滤波技术的优 缺点进行比较, 接着对有源滤波技术的原理、 应用及 其发展趋势做了详细介绍。

1 无源和有源滤波技术
采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐 波电流, 是抑制谐波污染的有效措施。 通常采用由电 力电容器、 电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤 波装置进行滤波。 由于无源滤波具有投资少、 效率 高、 结构简单、 运行可靠及维护方便等优点, 因此无 源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主 要手段。 由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提 供一并联低阻通路, 以起到滤波作用, 其滤波特性是 由系统和滤波器的阻抗比所决定的, 因而存在以下 缺点[ 1, 3 ]: ①滤波特性受系统参数的影响较大; ②只
收稿日期: 1999208231。

能消除特定的几次谐波, 而对某些次谐波会产生放 大作用; ③滤波要求和无功补偿、 调压要求有时难以 协调; ④谐波电流增大时, 滤波器负担随之加重, 可 能造成滤波器过载; ⑤有效材料消耗多, 体积大。 由于无源滤波具有以上缺点, 随着电力电子技 术的不断发展, 人们将滤波研究方向逐步转向有源 滤波器。 早在 70 年代初期, 日本学者就提出了有源 滤波器 ( act ive pow er filter, 缩写为 A PF ) 的概念 [ 4 ] , 即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐 波电流幅值相等、 相位相反的电流, 使电源的总谐波 电流为零, 达到实时补偿谐波电流的目的。 1976 年 美国西屋电气公司的 L. Gyug i 提出利用大功率晶 体管组成的 PWM 逆变器构成的 A PF 消除电网谐 波[ 5 ]。 由于受到当时功率半导体器件水平的限制, A PF 的研制一直处在试验研究阶段。 进入 80 年代 以后, 随着电力电子技术的飞速发展, 大功率可关断 器件 ( GTR , GTO , IGB T 等) 的不断进步, 以及对非 正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究, 特别是 瞬时无功理论的提出[ 6 ] , 为 A PF 的实用化提供了必 要的条件, 使之在工业上得到了广泛的应用。 与无源滤波器相比, A PF 具有高度可控性和快 速响应性, 其具体特点如下: 补偿 a 1 不仅能补偿各次谐波, 还可抑制闪变、 无功, 有一机多能的特点, 在性价比上较为合理; b1 滤波特性不受系统阻抗的影响, 可消除与系 统阻抗发生谐振的危险; c1 具有自适应功能, 可自动跟踪补偿变化着的 谐波。 尽管 A PF 有着无源滤波器所不具备的巨大技 术优势, 但目前要想在电力系统中完全取代无源滤 波器还不太现实。 这是因为与无源滤波器相比较, A PF 的成本较高, 这一点是限制 A PF 推广使用的 关键。 随着电力电子工业的发展, 器件的性价比将不 断提高, A PF 必然会得到广泛应用。

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2 有源滤波器的分类
目前, 有源滤波技术已在日本、 美国等少数工业 发达国家得到了广泛应用。 根据应用场合不同, 有源 滤波器可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两 大类。 有源直流滤波器主要用来消除 HVDC 系统中 换流器直流侧的电压、 电流谐波; 而有源交流滤波器 则是应用于交流电力系统各个电压等级的有源滤波 器, 也就是通常所说的 A PF。 从不同的观点出发, [7] A PF 具有不同的分类标准 。 a 1 根据 A PF 与系统的连接方式可将 A PF 分 为并联型 A PF、 串联型 A PF、 串—并联型 A PF 以及 混合型 A PF。 图 1 所示为并联型 A PF , 由于其与系统相并 联, 可等效为一受控电流源。 并联型 A PF 可产生与 负载谐波大小相等、 方向相反的谐波电流, 从而将电 源侧电流补偿为正弦波。 并联型 A PF 主要适用于感 性电流源型负载的谐波补偿, 目前技术上已相当成 熟, 工业上已投入运行的 A PF 多采用此方案[ 8 ]。

图 3 所 示 为 串—并 联 型 A PF , 这 是 一 种 新 型 A PF , 其名称尚未统一, 文献 [ 12, 13 ] 称之为统一电 能质量调节器 (U PQ C ) , 目前还处在试验阶段。 这种 并联 A PF 的功能, 可解决配电系统发 A PF 兼有串、 生的绝大多数电能质量问题, 具有较高的性价比, 是 今后值得推广的一种装置。

图 3 串- 并联型 APF F ig13 Ser ies- para llel type APF

图 1 并联型 APF F ig11 Para llel- type APF

图 2 所示为串联型 A PF , 通过 3 个单相变压器 串联在电源与负载间, 可等效为一受控电压源。 其主 要用于消除带电容二极管整流电路等电压型谐波源 负载对系统的影响, 以及系统侧电压谐波与电压波 动对敏感负载的影响[ 8, 9 ]。 与并联型 A PF 相比, 由于 串联型 A PF 中流过的是正常负荷电流, 因此损耗较 大; 此外, 串联型 A PF 的投切、 故障后的退出及各种 [8] 保护也较并联型 A PF 复杂 。 目前单独使用的串联 型 A PF 的研究较少, 国内外的研究多集中在其与 [ 10, 11 ] L C 无源滤波器所构成的串联混合型 A PF 上 。

由于 A PF 造价高, 运行损耗大, 容量受到限制, 将无源滤波器与有源滤波器组合起来, 构成混合型 有源滤波器在目前无疑是一种较好的方案[ 8 ]。 但从 长远角度看, 随着电力电子元件成本不断下降, 它将 被性价比更高的串—并联有源滤波器所代替。 b1 按 A PF 中逆变器直流侧储能元件的不同, A PF 又可分为电压型 A PF ( 储能元件为电容) 和电 流型 A PF ( 储能元件为电感) 。与电流型 A PF 相比, 电压型 A PF 损耗较小、 效率高, 因此目前国内外绝 大多数 A PF 都采用电压型逆变器结构。 随着超导储 能技术的不断发展, 今后可能会有更多电流型 A PF 投入使用。 c1 此外还有一种如图 4 所示的有源滤波装 置—— 有 源 线 路 调 节 器 ( act ive pow er line cond it ioner, 缩写为 A PL C ) , 其结构与 A PF 相似, 因此过去很多文献上都将 A PL C 等同于 A PF。 其 实, 从原理上看, 与 A PF 的单节点谐波抑制相比较, A PL C 是向网络中某个 ( 几个) 优选节点注入消谐补 偿电流, 通过补偿电流在网络中一定范围内流动, 实 现该范围内所有节点谐波电压的综合抑制。 由于 A PL C 代表的是谐波治理的一种更高层次, 不应将 两者等同。 目前, 国外 A PL C 的应用还处在研究和试验阶 段, 实时确定补偿电流、 优选补偿节点、 在线测量谐 [ 14 16 ] ~ 波等技术难点限制了 A PL C 的应用 。

3 APF 的控制策略
A PF 的控制主要由谐波信号的检测和补偿分 量的产生两大部分组成。 由图 5 可见, A PF 通过检 测电路检测出电网中电流电压的畸变部分, 然后采 用某种控制方式控制功率电路产生相应的补偿电流 分量, 并注入到电网中, 以达到消谐的目的。

图 2 串联型 APF F ig12 Ser ies- type APF

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31113 基于 FFT 的数字化分析法[ 21 ] 该方法是建立在 Fou rier 分析的基础上, 因此 要求被补偿的波形是周期变化的, 否则会带来较大 误差。 通过 FFT 将检测到的一个周期的谐波信号进 行分解, 得各次谐波的幅值和相位系数, 将拟抵销的

图 4 APLC 原理图 F ig14 The pr inc iple d iagram of APLC

图 5 APF 原理图 F ig15 The pr inc iple d iagram of APF

311 谐波信号的检测

谐波信号的检测主要有以下几种方法。 31111 提取基波分量法 该法是最早被采用的谐波电流检测方法, 其原 理是在检测到的信号中提取出基波分量, 它与原信 号之差就是所需补偿的谐波, 通常可采用带通滤波 器实现。 但所采用的高阶滤波器会产生附加相移, 造 成输出信号畸变, 影响补偿效果。 此外, 这种方法还 存在设计困难、 误差大、 对电网频率波动和电路元件 参数较敏感等缺点, 因而目前已较少采用。 近年来, 有文献介绍利用小波变换技术提取基波分量[ 17 ] , 其 具体效果如何还需深入研究和探讨。 31112 瞬时空间矢量法 基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目 前 A PF 中应用最广的一种检测方法, 最早是由日本 学者 H. A kag i 于 1984 年提出的, 经过不断改进, 现 包括 p 2q 法[ 6 ]、p 2iq 法[ 18 ] 以及 d 2q 法[ 19 ]。 i 其中, p 2q 法 适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检 测; ip 2iq 法不仅在电网电压畸变时适用, 在电网电压 不对称时也同样有效; 而基于同步旋转坐标变换的 d 2q 法可在电网电压不对称、 畸变情况下精确地检 测出谐波电流[ 19, 20 ] , 其优点是当电网电压对称且无 畸变时, 各电流分量 ( 基波正序无功分量、 不对称分 量及高次谐波分量) 的检测电路比较简单 [ 19 ]。

谐波分量通过带通滤波器或傅里叶变换器得出所需 的误差信号, 再将该误差信号进行 FFT 反变换, 即 可得补偿信号。 其优点是可以选择拟消除的谐波次 数, 缺点是具有较长的时间延迟, 实时性较差。 31114 自适应检测法 [ 22 ] 该方法基于自适应干扰抵消原理, 将电压作为 参考输入, 负载电流作为原始输入, 从负载电流中消 去与电压波形相同的有功分量, 得到需要补偿的谐 波与无功分量。 该自适应检测系统的特点是在电压 波形畸变情况下也具有较好的自适应能力, 缺点是 动态响应速度较慢。 在此基础上, 文献 [ 23 ] 提出一种 基于神经元的自适应谐波电流检测法。 从以上检测方法看, 基于瞬时无功功率理论的 瞬时空间矢量法简单易行, 性能良好, 并已趋于完善 和成熟, 今后仍将占主导地位。 基于神经元的自适应 谐波电流检测法和小波变换检测法等新型谐波检测 方法能否应用于工程实际, 还有待进一步验证。 312 补偿电流的产生 补偿电流的产生通常采用基于 PWM 的电压源 逆变器 (V S I) , 从采用的电流控制方法看, 主要可分 为以下 3 种。 31211 三角载波线性控制 三 角 载 波 线 性 控 制 ( t riang le w ave 2linea r con t ro l) 是最简单的一种控制方法。 通过将检测环 节得到电流实际值与参考值之间的偏差与高频三角 载波相比较, 所得到的矩形脉冲作为逆变器各开关 元件的控制信号, 从而在逆变器输出端获得所需的 波形。 该方法的优点是动态响应好, 开关频率固定, 实现电路简单, 缺点是输出波形中含有与三角载波 相同频率的高频畸变分量, 开关损耗较大, 在大功率 应用中受到限制。 31212 滞环比较控制 滞环比较控制 ( hy steresis con t ro l) [ 24 ] 是将补偿 电流参考值与逆变器实际电流输出值之差输入到具 有滞环特性的比较器, 通过比较器的输出来控制开 关的开合, 从而达到逆变器输出值实时跟踪补偿电 流参考值。 与三角载波线性控制相比, 滞环比较控制 具有开关损耗小、 动态响应快等特点。 缺点是系统的 开关频率、 响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带 宽影响。 带宽固定时, 开关频率会随补偿电流变化而 变化, 从而引起较大的脉动电流和开关噪声[ 25 ]。 31213 无差拍控制 无差拍控制 ( deadbea t con t ro l) [ 26 ] 是一种在电

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流滞环比较控制技术基础上发展起来的全数字化控 制技术。 该方法利用前一时刻的补偿电流参考值和 实际值, 计算出下一时刻的电流参考值及各种开关 状态下逆变器电流输出值, 选择某种开关模式作为 下一时刻的开关状态, 从而达到电流误差等于零的 目标。 该方法的优点是能够快速响应电流的突然变 化。 缺点是计算量大, 而且对系统参数依赖性较大。 近年来不断有新的改进方法出现[ 27, 28 ]。 3 种方法中, 基于模拟控制技术的三角载波线 性控制法和滞环比较控制法是目前 A PF 中普遍采 用的方法, 可通过多重化技术、 自适应滞环带等改进 措施来克服其固有的缺陷, 提高其使用效率。 相对而 言, 基于全数字化控制技术的无差拍控制法在 A PF 中的应用还较少, 但随着微机控制技术的不断发展 以及数字信号处理器 (D SP ) 运算速度的不断提高, 其将在 A PF 中得到进一步的应用。 以上的 A PF 控制方法都是基于跟踪非线性负 荷谐波进行控制的思想, 其测量系统和控制系统都 较复杂。 近年来, 我国学者提出了基于优化特定消谐 [ 29, 30 ] , 通过改变逆变 PWM 技术的广义有源滤波器 器输出波形的频谱分布, 使其接近于正弦波, 从而达 到消谐的目的。 从原理上看, 广义有源滤波器是一种 新型非跟踪型有源滤波器, 其控制系统比较简单, 是 一种构思较新颖的有源滤波器。

型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失, 而串— 并联 A PF 由于其功能强大、 性价比高, 将是一种很 有发展前途的有源滤波装置。 d1 可通过单节点单装置的装设, 达到多节点谐 波电压综合治理的 A PL C 的出现, 表明电力系统谐 波治理正朝着动态、 智能、 经济效益好的方向发展。 与国外广泛应用 A PF 相比, 我国的有源滤波技 术还处在研究试验阶段, 工业应用上只有少数几台 样机投入运行 [ 29, 31 ] , 这与我国目前谐波污染日益严 重的状况很不适应。 随着我国电能质量治理工作的 深入开展, 利用 A PF 进行谐波治理将会具有巨大的 市场应用潜力, 有源滤波技术必将得到广泛的应用。

参考文献
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4 APF 的应用及其发展趋势
有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技 术, 在日本、 美国、 德国等工业发达国家已得到了高 度重视和日益广泛的应用。 目前, 世界上 A PF 的主 要生产厂家有日本三菱电机公司、 美国西屋电气公 司、 德国西门子公司等。 据文献 [ 8 ] 介绍, 自 1981 年 以来, 仅在日本, 已有 500 多台 A PF 投入运行, 容量 范围由 50 kVA 到 60 M VA 。 从近年来的研究和应 用中可以看出 A PF 具有如下的发展趋势: a 1 通过采用 PWM 调制和可提高开关器件等 效开关频率的多重化技术, 实现对高次谐波的有效 补 偿。 当 A PF 的容量小于 2 M VA 时, 通常采用 IGB T 及 PWM 技术进行谐波补偿。 当容量大于 5 M VA 时, 通常采用 GTO 及多重化技术进行谐波 补偿。 b1 当前大功率滤波装置从经济上考虑, 可以采 用 A PF 与 L C 无源滤波器并联使用的混合型有源 滤波系统, 以减小 A PF 的容量, 达到降低成本、 提高 效率的目的。 其中 L C 滤波器用来消除高次谐波, A PF 用来补偿低次谐波分量。 c1 从长远角度看, 随着大量换流器用于变频调 速系统, 其价格必然下降; 同时, 随着半导体器件制 造水平的迅速发展, 尤其是 IGB T 的广泛应用, 混合

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ACT IVE POW ER F I TER TECHNOLO GY AND ITS APPL ICAT I N L O
H u M ing YC hen H eng ; Sou thea st U n iversityKN an jing 210096KCh ina G

AbstractP W ith the w ide app lica tion of h igh pow er electron ic sw itches in pow er system K the p rob lem of qua lity of pow er . supp ly becom es m o re seriou s T h is p ap er m akes a com p a rison betw een the p a ssive filters and active pow er filtersK in troduces the cla ssifica tion sK op era tion p rincip les and new trend s of the active pow er filtersK and the p ro sp ects of the app lica tion of active pow er filters in Ch ina. KeywordsP active pow er filterMp a ssive filter Mpow er qua lityMha rm on ics

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